关键词：生物质；铡碎料燃料；螺旋给料机；固定炉排
O 引言
随着我国农村城镇化的不断发展，越来越多的农村生物质从灶用能源中分离出来，成为农业废弃物。目前我国广大城乡结合部、小城镇地区的农林副产物生物质常被作为废弃物焚烧。城市的园林废弃物也作为垃圾处理，不但浪费能源，也造成环境污染。我国每年农林废弃物、能源林业和其他能源作物相当于9亿吨标煤。研究开发经济、实用、环保的生物质能应用技术，对解决农林废弃物焚烧引起的环境污染和能源浪费问题，满足广大农村地区和城乡结合部大量的小型供热需求，具有重要意义。
作为生物质能应用的常用方式之一，生物质燃烧技术在国内外发展迅速，不断涌现各种技术和设备。生物质直燃的主要特点是：能量密度低，大型应用时燃料收集、储存成本高；S02、NOx排放低；锅炉中各受热面的沾污腐蚀，灰分的结焦，烟气中氯化氢、气溶胶含量较高等问题严重。采用生物质成型燃料能够显著提高能量密度，在欧洲得到广泛应用。然而由于生物质成型过程能耗高、设备磨损快、燃料成本高，在国内推广收到限制。以木质颗粒为例，不考虑干燥能耗，国内引进技术改进机组的实验能耗为184. 4kWh．t。国内研究者也开展了捆烧生物质实验研究，其燃料密度适中，实验中为130 kg．m-3；加工能耗较低，约30kWh．t。此外，还有部分生物质不容易被收集，亟需一种灵活、方便的方法来减少这部分能源的浪费。本文研究者们设计了一种针对园林废弃物的小型生物质铡碎料直燃热水锅炉，并进行了实验研究。实验所用的燃料密度为126kg．每立方米，与捆烧生物质相当。由于本方案只需要简单铡碎而无需切片，燃料加工能耗与生物质成型燃料切片工艺的13. lkWh．t相比，其能耗应该更低。本生物质直燃锅炉可用于园林废弃物、果园区和产棉区农业废弃物的处理兼小型供热。
1 锅炉方案设计
锅炉为固定炉排层燃锅炉，由防架桥螺旋给料机和锅炉本体两部分组成，如图1所示。
连续、稳定给料是锅炉稳定运行的前提。铡碎料特别容易架桥，一方面破坏给料的连续性；另一方面架桥造成物料分布不均匀，导致给料量的波动。本文的研究者们经过反复实验发现，对于长度小于10cm的铡碎料，在料斗底部水平布置两个同向旋转的拨料辊可有效地解决搭桥问题，较好地实现均匀落料；采用适当螺距的螺旋绞龙可将铡碎料稳定地输送至炉排。炉膛和螺旋绞龙之间由10cm长的料管连接，料管中的铡碎料将绞龙与炉膛高温隔离开。 由于铡碎料之间相互交叉、重叠，使燃料层具有一定的“刚度”。螺旋绞龙在将新鲜燃料输送至炉排的同时也将炉排上的燃料整体向后推移。燃料在炉排上的燃烧可从前向后分为四个区段：燃料预热干燥段、挥发部排烟分析出燃烧段、焦炭燃烧段、灰渣燃尽段。与链条炉的燃烧过程类似，灰渣从炉排末端落人集灰室。本方案的机械化程度较高，只需每3～4h往料斗加一次料，同时集灰室清灰一次即可。
为了简化结构，降低加工成本，炉膛由半包围结构的水套和烟气转向板围成。同时在炉膛上部布置了对流一辐射换热面以使结构更加紧凑。
炉内设有一次风和二次风。烟气经转向室后从上部排烟管排出，并可利用高速气体射流的引射作用辅助排烟。灰分主要从炉排末端炉排孔或侧面空隙落入集灰室收集排出。烟气携带部分灰分也落入集灰室。
2燃料及实验装置主要参数
本文以校园园林废弃物为燃料，设计、搭建了20kW浴室锅炉实验装置。收集了校园园林废弃物，铡碎至长度小于10cm的碎段，自然晾干后检测并储存，以备实验。燃料特性参数和锅炉主要参数如表1所示。
3试验及结果
3.1 试验内容及方法
1)给料的稳定性：在料斗中一次性装入15kg燃料，开动给料机，记录每5min内出料量。
2)额定工况下锅炉热水管出口水温：采用K型热电偶检测，由OMD- PDQI型采集卡和计算机连续采集记录。
3)烟气成分，排烟温度，排烟含尘量：烟气过滤后，由Gasboard-3100红外烟气分析仪检测CO、C02等含量。排烟温度检测方法同水温检测。排烟含尘量的检测应用3012H型自动烟尘／气测试仪，采用GB5468-91标准检测。
4)飞灰及灰渣含炭量：将灰分在815℃条件下灼烧1h，由灼烧前后质量差确定含碳量。
3.2实验结果
3.2.1 喂料的稳定性
三次喂料实验结果如图2所示。从图2可以看出，铡碎料的喂料可控制在6kg．h-l上下20%范围内波动，并且随料斗中物料的减少，略有下降趋势。这些实验以及后续的燃烧实验表明，给料机运行可靠，总体喂料速率稳定，燃烧过程稳定。
3.2.2 锅炉运行时热水管出口水温特性
锅炉启动后初始有个非稳定态过程，约10min接近稳定的状态，实验用的锅炉控制系统无水温控制，水温有一定波动。图3给出其中1次实验时热水管出口水温随时间的变化。实验表明，在初始水温为12℃、水流量为450kg．h时，锅炉出口水温维持在48±10℃。
3.2.3锅炉排烟特性
稳定运行时锅炉的排烟温度在250士10℃，烟气中C02为8%～10%；CO含量为0.23%～0. 27%。生物质铡碎料锅炉的烟尘排放的平均值在110～170 mg．m-3范围内，低于锅炉大气污染物排放标准GB13271-2001中燃煤锅炉在二类区200mg．m³的烟尘排放上限，符合国家标准。
3.2.4灰分中的残炭
灰分主要以灰渣和飞灰的形式存在，其中灰渣的份额平均为91. 6%，飞灰的份额平均为8.4%；各工况下灰渣含碳平均为7. 8%，而飞灰含碳测得数值较高，平均为56. 7%。
3.3结果分析
3.3.1锅炉正平衡效率
锅炉热效率采用正平衡方法计算，效率为锅炉热水吸热量与燃料放热量之比。
据4次稳定实验运行时温度检测结果，计算出锅炉的热效率在65. 8%～74. 2%之间，平均为70%。与欧美多数生物质小锅炉效率(50%～80 %)和河南农业大学的捆烧炉效率（约73%）相当。
3.3.2锅炉热损失
根据排烟量和排烟温度计算出该锅炉的排烟损失12. 4%，机械不完全燃烧热损失1.4%，由排烟中的CO含量计算的化学不完全热损失为1.1%。锅炉炉膛由半包围的水套结构和烟气转向板围成，未设置保温层，整体散热较大，计算散热损失约为10%。灰渣物理显热损失平均为0. 63%。可得锅炉反平衡效率为74. 47%，与正平衡效率偏差为4.47%，小于5%。
虽然锅炉结构简单，但其烟尘排放浓度符合国家标准。主要原因有：城市园林废弃物灰分含量较低；燃烧时未经粉碎，大多数灰分存于炉体集灰室的灰渣中；炉体的烟尘沉降室起到了分离沉降烟气中灰尘的作用。
灰渣含碳量较低，机械不完全燃烧热损失小，这表明给料机构、炉排及一次风设计合理，固体燃料燃尽充分。
检测同时表明，飞灰含碳高，烟气中CO含量偏高。这可能是由于炉膛高度偏低的原因造成的，需在后续研究中加以改进。
4 结论和讨论
1)园林废弃物等生物质铡碎料具有较低的燃料生产能耗，适当的能量密度，可用做小型锅炉燃料。
2)采用螺旋给料机和同向旋转的拨料辊，可实现生物质铡碎料的稳定喂料，机械化程度好，燃烧稳定。
3)小型浴室热水锅炉的热效率约70%，与国内外大多数小型生物质锅炉相当。
4)该实验锅炉的主要热损失是散热损失和排烟热损失，可通过加强保温、增加传热面积、调整炉膛结构、改善配风等措施加以改进，提高锅炉效率。
5)锅炉排烟中烟尘含量低，符合国家标准。
总体来说，该锅炉运行稳定，结构简单，燃料成本低，适合广大城乡结合部和小城镇的小型供热应用。
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